Фізико-технічні основи охорони виймальних виробок в умовах нестійких порід

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

інститут геотехнічної механіки ІМ. М.С. Полякова

УДК [622.268:622.13](043.5)

фізико-технічні основи охорони виймальних виробок

в умовах нестійких порід

Спеціальність

05.15.02 - «Підземна розробка родовищ корисних копалин»

автореферат

дисертації на здобуття конкурс наукового ступеня міри

доктора технічних наук

КАНІН ВОЛОДИМИР ОЛЕКСІЙОВИЧ

Дніпропетровськ - 2011

Дисертацією є з'являється,являється рукопис

Робота виконана в Українському державному науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті гірничої геології, геомеханіки та маркшейдерської справи речі НАН України (м. Донецьк).

Захист відбудеться « 15 » квітня 2011 р. о 13³⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 46-24-26

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий « 14 » березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук В.Г. Шевченко

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним з найважливіших завдань удосконалення підземної розробки вугілля є збереження стійкості виймальних виробок, що обслуговують очисні вибої з високим навантаженням, але його рішення постійно ускладнюється, оскільки із збільшенням глибини гірничих робіт скорочується число вибоїв із стійкою покрівлею. Ефективність охорони виймальних виробок в умовах нестійких порід визначається специфічними особливостями стану масиву і його взаємодії з використовуваними технічними засобами. Це є важливою обставиною, яка не завжди враховується при вирішенні практичних завдань. Тому останні десять років кількість аварій, пов'язаних з обваленнями породи, перевищує 70-90 випадків на рік, число смертельно травмованих шахтарів досягає 40-50 чоловік на рік, а протяжність ділянок виймальних виробок, які не задовольняють вимогам Правил безпеки за параметрами перерізу, в середньому по галузі становить 16,5 %. Аналіз вивченості проблеми охорони виймальних виробок в нестійких породах дозволив виділити такі напрями поліпшення їх стану і зниження травматизму. По-перше, світовий досвід показує, що одним з найперспективніших способів закріплення нестійких порід є їх фізико-хімічна обробка. Але його реалізація утруднена через відсутність вітчизняних скріплювальних сумішей, що відповідають вимогам міжнародних стандартів. По-друге, для охорони виробок з боку виробленого простору необхідно використовувати підтримуючі опори, які мають відповідну податливість і забезпечують опір, перешкоджаючий дезінтеграції порід покрівлі. Проте механічні характеристики традиційних кріпильних матеріалів в умовах нестійких порід ці вимоги не забезпечують. По-третє, основні принципи охорони виймальних виробок в умовах нестійких порід повинні ґрунтуватися на комплексному урахуванні процесів, що відбуваються в оточуючих породах і засобах охорони, виходячи з закономірностей їх взаємодії. За сучасних умов комплексний підхід до охорони виймальних виробок стримується відсутністю відповідної науково-методичної бази.

Таким чином, встановлення закономірностей, критеріїв і механізмів формування навколо виробок областей позамежного стану, деформування підтримуючих опор і їх взаємодії з оточуючими породами з урахуванням специфіки умов застосування і властивостей використовуваних матеріалів дозволить розробити нові способи і засоби охорони виймальних виробок ефективні в умовах нестійких порід, що є актуальною науковою проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дисертація є підсумком досліджень, що виконувалися за завданнями Мінвуглепрому України «Розробити ресурсозберігаючі технології і засоби охорони гірничих виробок з використанням легких бетонів» (М219201000) і «Розробити наукові основи і нормативну базу застосування газобетонного кріплення для охорони гірничих виробок на шахтах Донбасу» (М219302000), по яких автор був виконавцем, і в межах відомчих тем УкрНДМІ НАН України «Розробка і впровадження ресурсозберігаючих засобів керування станом гірського масиву на основі використовування легких бетонів» (0219615200М) і «Розробка і впровадження керівного нормативного документу «Маркшейдерські роботи на вугільних шахтах та розрізах. Інструкція» (№ ДР 0198U003965), по яких автор був керівником, та «Розробка і впровадження на основі синтетичних матеріалів нових сумішей і технологій для зміцнення гірських порід, вугілля і ґрунтів» (№ ДР 0196U011404), на різних етапах виконання якої автор був виконавцем і керівником.

Ідея роботи полягає у використанні для нових засобів охорони виймальних виробок матеріалів із заданими технічними і технологічними властивостями, що забезпечують їх ефективне застосування в нестійких породах.

Мета роботи - встановлення закономірностей, критеріїв і механізмів формування навколо виробок областей позамежного стану, деформування підтримуючих опор і їх взаємодії з оточуючими породами для розробки способів і засобів охорони виймальних виробок ефективних в умовах нестійких порід.

Для досягнення поставленої мети розв'язано такі науково-практичні завдання:

1. Вибрати і випробувати за різних умов і режимів деформування новий кріпильний матеріал для зведення підтримуючих опор з боку виробленого простору, удосконалити метод розрахунку параметрів опор та розробити технологічні схеми охорони виймальних виробок в умовах нестійких порід.

2. Дослідити технологічні і хімічні властивості синтетичних сумішей українського виробництва і розробити на їх основі рецептуру нової скріплювальної суміші, що задовольняє світовим стандартам за технічними характеристиками і токсичністю, обґрунтувати технологічні параметри, вибрати схеми і розробити обладнання для ефективного ін'єкційного закріплення нестійких порід.

3. Встановити основні принципи і закономірності підтримання виймальних виробок в нестійких породах із застосуванням нових способів і засобів їх охорони в зоні впливу очисних робіт.

4. Виконати апробацію розроблених способів і засобів охорони виймальних виробок в різних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах і визначити раціональну область їх застосування.

5. Розробити нормативно-методичні документи, що регламентують розрахунок параметрів, вибір технологічних схем, безпеку робіт і якість засобів охорони виймальних виробок в умовах нестійких порід.

Об'єкт дослідження - процеси деформування порід навколо виймальних виробок в зоні впливу очисних робіт.

Предмет дослідження - закономірності формування навколо виробок областей позамежного стану, деформування підтримуючих опор і їх взаємодії з оточуючими породами.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач в дисертаційній роботі послідовно використовувалися такі методи досліджень:

- аналіз і узагальнення результатів відомих досліджень і практичного досвіду охорони виймальних виробок в різних гірничо-геологічних умовах;

- стендові випробування газобетонних зразків і конструкцій для встановлення їх механічних характеристик і особливостей деформування в умовах позамежного навантаження;

- моделювання методом скінченних елементів особливостей прояву гірського тиску навколо виймальної виробки при різних співвідношеннях міцності порід і підтримуючих опор;

- моделювання методом дискретних елементів зміщення зруйнованих порід у виймальну виробку для обґрунтування можливості їх локального закріплення на ділянках сполучення виймальної виробки з лавою;

- фізико-механічні (міцність на стиск і міцність адгезії), фізико-хімічні (інфрачервона спектроскопія) та аналітичні (гелеутворення, ствердіння, усадка) методи досліджень механізму ствердіння і вибору рецептури нової скріплювальної суміші;

- визначення параметрів розшарування порід покрівлі вугільного пласта методом геоакустичних спектральних вимірювань для підвищення достовірності розрахунку параметрів підтримуючих опор;

- шахтні спостереження і фіксація експлуатаційного стану виймальних виробок і підтримуючих опор, гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов на експериментальних і контрольних ділянках;

- шахтні інструментальні вимірювання деформування контуру виймальної виробки, зміни перерізу виробки і конвергенції вміщувальних порід у виробленому просторі.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

1. У процесі навантаження газобетонної опори з b/h ? 1 виділяються дві області і шість стадій деформування, котрі характеризуються тим, що в області пружно-пластичного деформування (на стадіях І-ІІІ) опір опори стисканню наростає за залежністю з досягненням пікового опору (Р_max) при е = 1-3 %; у області позамежного деформування (на стадіях ІV-VІ) опір опори стисканню змінюється за залежністю, близькою до гіперболічної, причому на ІV стадії в інтервалі е = 3-10 % відбувається зниження опору опори залежно від сировинного складу газобетону до (0,42-0,66)Р_max; на V стадії в інтервалі е = 10-30 % опір опори зберігається приблизно постійним, а на VІ стадії при е > 30 % опір опори стисканню росте до (1,0-2,1)Р_max, що обумовлене формуванням усередині опори ядра з повторно ущільненого матеріалу.

2. Навколо виймальної виробки, що охороняється підтримуючими опорами, після проходу лави формуються області позамежного стану, розміри яких мають складну залежність від міцності вміщувальних порід (у_п) і опор (у_о) та досягають максимуму при нестійких породах (у_п ? 30-40 МПа) і міцних опорах (у_о = 12 МПа), при цьому в умовах нестійких порід опори з у_о = 5,0 МПа здатні виконувати функцію обрізного кріплення, забезпечуючи підтримання безпосередньої покрівлі і її обвалення за межами простору, що охороняється, і не активізують видавлювання підошви, уздовж борта виробки, що примикає до масиву, при деформуванні опор на 8-12 % (незалежно від їх міцності) формуються області позамежного стану, в яких з високим ступенем вірогідності можливі обвалення породи в порожнину виробки, що послужило підставою для уточнення основних принципів охорони виймальних виробок в умовах нестійких порід.

3. При локальному закріпленні порід по контуру виймальної виробки в зоні впливу очисних робіт механізм стримування зміщень зруйнованих порід в порожнину виробки полягає в тому, що на фоні прогресуючої дезінтеграції породного масиву закріплені породні блоки, володіючи вищою (у 1,5 рази) міцністю, ніж навколишній масив, довше зберігають свою цілісність серед зруйнованої маси, розсіюючи частину енергії гірського тиску, і в залежності від своїх розмірів та періодичного збільшення горизонтальної компоненти нормальних напружень в раніше зруйнованій і розвантаженій області масиву сприяють зменшенню рухливості і самозаклинюванню зруйнованих породних блоків.

4. Під час ствердіння карбамідной смоли ізо-метілтетрагідрофталевим ангідридом (ізо-МТГФА) утворюється скріплювальна суміш СКАТ, яка на відміну від карбамідно-кислотних сумішей має тривимірну сітчасту структуру за рахунок зшивання макромолекул метіленовими групами; володіє міцнішими водневими і вуглець-водородними зв'язками в амідних групах; характеризується переважанням складних ефірів і відсутністю слабких метіленефірних зв'язків і містить велику кількість функціональних груп з високою реакційною здатністю, що в сукупності визначає її підвищену міцність (45-65 МПа), високу адгезію до гірських порід (3,5-5,4 МПа) та невелику усадку (0,6-2,1 %), при цьому кількісні значення цих показників по різному залежать від об'ємної концентрації в суміші (k_V) ізо-МТГФА, а найкраща інтегральна якість суміші СКАТ досягається при k_V = 10 %.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше в світовій гірничій практиці здійснені комплексні дослідження блокового газобетону автоклавного ствердіння, за результатами яких науково обґрунтована можливість застосування матеріалів даного класу для зведення підтримуючих опор при охороні виймальних виробок.

2. Уточнено критерій стійкості газобетонної опори по відношенню її ширини (b) до висоти (h) у вигляді b_кр = 0,8h і встановлено, що при b/h < 0,8 опора є нестійкою; при b/h = 1,0-1,5 несуча здатність опори в області постійного опору становить (0,7-0,8)P_max; при b/h > 1,5 збільшується витрата матеріалу при незначному підвищенні несучої здатності опори.

3. Набуло подальшого розвитку уявлення про поведінку матеріалу в умовах позамежного деформування; показано, що збільшення опору газобетонної опори при стисненні на 30 % і більше пов'язано з формуванням усередині опори ядра з повторно ущільненого матеріалу, параметри якого визначаються кутом внутрішнього тертя і залежать від сировинного складу газобетону.

4. Встановлено новий універсальний показник - питома робота опору деформування (a_c), який дозволяє оцінювати якість і порівнювати між собою різні підтримуючі опори, незалежно від їх матеріалу, розмірів і конфігурації.

5. Доведено, що застосування жорстких міжшарових прокладок вирішує задачу штучного розподілу пружних властивостей в матеріалі і покращує деформаційно-навантажувальні характеристики блокових конструкцій, збільшуючи в 2-2,5 рази питому роботу опору деформування газобетонних опор при b/h < 0,8.

6. Уточнено закономірності зміни механічних характеристик газобетону при зволоженні, які показали, що ефект адсорбційного пониження міцності визначає опір опор стисненню у області пружно-пластичного деформування, а опір у області позамежного деформування визначається умовами їх вторинного ущільнення.

7. Встановлено закономірності утворення зон руйнувань навколо виймальної виробки при різних поєднаннях міцності опор (у_о = 5-12 МПа) і порід (30 ? у_п ? 60 МПа) і показано, що в нестійких породах (у_п ? 30-40 МПа) опори з у_о = 5 МПа виконують функцію обрізного кріплення, забезпечуючи обвалення покрівлі за простором, що охороняється, і роблять вплив, що щадить підошву.

8. Встановлено, що при локальному закріпленні масиву механізм стримування зміщень порід в порожнину виймальної виробки полягає в тому, що закріплені породні блоки, володіючи більшою (у 1,5 рази) міцністю, ніж навколишній масив, довше зберігають свою цілісність і сприяють самозаклинюванню зруйнованих породних блоків у процесі їх переміщення.

9. Досліджені специфічні зв'язки, які утворюються при з'єднанні карбамідної смоли з ізо-МТГФА, і встановлено, що скріплювальна суміш СКАТ має тривимірну сітчасту структуру, характеризується відсутністю слабких метіленефірних зв'язків, володіє міцними водневими зв'язками і містить функціональні групи з високою реакційною здатністю, що визначає її високу якість.

Новизна розроблених способів і засобів охорони виймальних виробок захищена двома патентами України.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: використанням стандартних методик, приладів і обладнання при виконанні лабораторних, стендових і шахтних досліджень і задовільною збіжністю їх результатів; повторюваністю встановлених закономірностей і результатів дослідів; високою тіснотою зв'язку між дослідженими чинниками і показниками (значення коефіцієнтів кореляції і кореляційних відносин знаходяться в межах 0,77-0,96 при надійності 0,9-0,95); задовільним визначенням тиску нагнітання скріплювальної суміші при ін'єкційному закріпленні порід і вугілля з відносною похибкою, яка не перевищує 16% в умовах шахти «Глибока» і 13 % в умовах шахти ім. К.О. Румянцева; показністю об'єктів шахтних досліджень в широкому діапазоні розробки вугільних пластів за потужністю (0,5-2,1 м) та кутом падіння (2-8; 16-21 і 54-66°), з вміщувальними породами всіх основних категорій і класів за стійкістю й обвалюваністю; ефективним промисловим ?провадженням розроблених способів і засобів охорони виймальних виробок в 24 виробках 14 шахт Донбасу.

Наукове значення роботи полягає у встановленні основних принципів і закономірностей охорони виймальних виробок в умовах нестійких порід за результатами: одержаних залежностей впливу вологості газобетону, відношення лінійних розмірів кріпильних конструкцій і наявності в них жорстких прокладок на несучу здатність підтримуючих опор у області позамежного деформування; виявлених геомеханічних особливостей формування зон руйнувань навколо виймальної виробки при різних поєднаннях міцності підтримуючих опор і вміщувальних порід; розкриття механізму і фізичної суті стримування зміщень порід в порожнину виймальної виробки при локальному закріпленні масиву; визначення специфічних зв'язків, що утворюються при з'єднанні карбамідної смоли з ізо-МТГФА і механізму одержання скріплювальної суміші СКАТ.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці способів і засобів охорони виймальних виробок в умовах нестійких порід, що дозволяють зменшити величину зміщень порід, витрати на охорону виробок і собівартість вугілля, що видобувається, за рахунок використання ефективніших матеріалів, встановлених закономірностей, оптимізації параметрів підтримуючих опор і зниження аварійності, пов'язаної з обваленнями породи. При цьому в дисертації розроблені:

- методика розрахунку і номограми, що дозволяють вибрати раціональні параметри підтримуючих опор з газобетону залежно від їх конструкції і гірничо-геологічних умов, а також технологічні схеми охорони виймальних виробок;

- рецептура скріплювальної суміші СКАТ, яка за усадкою (0,6-2,1 %), міцністю адгезії (3,5-5,4 МПа) і міцністю на стискання (45-65 МПа) порівнянна з кращими зарубіжними сумішами, володіючи при цьому меншою в'язкістю, токсичністю і вартістю, методика розрахунку параметрів, технологічні схеми й обладнання для ін'єкційного закріплення зруйнованих порід.

Для впровадження нових способів і засобів охорони виймальних виробок розроблені і затверджені в установленому порядку нормативні документи:

- КД 12.2.001-95 «Тимчасове керівництво по охороні гірничих виробок з використанням спеціального кріплення з газобетону», який вперше на нормативній основі запровадив в гірничу практику газобетон у якості кріпильного матеріалу, методику розрахунку параметрів підтримуючих опор з газобетону, вісім технологічних схем для охорони виробок в умовах крутих пластів і п'ять схем для похилих пластів;

- КД 12.01.001-2000 «Технологія зміцнення гірських порід, вугілля і ґрунтів на основі використовування синтетичних матеріалів. Методичні вказівки», який визначає технологічні параметри ін'єкційного закріплення порід відповідно до використовування скріплювальної суміші СКАТ, схеми розташування нагнітальних свердловин, необхідне обладнання і правила безпечного виконання робіт;

- ТУ У 24.6 - 00159226.001-2001«Суміш зміцнювальна СКАТ», які встановлюють умови та області застосування суміші СКАТ, зокрема: зміцнення нестійких порід при проведені і ремонті гірничих виробок; закріплення порід на сполученнях підготовчих виробок з очисними вибоями; зміцнення вугільних масивів, схильних до раптових обвалювань і висипань на пластах крутого падіння та інші;

- СОУ-П 10.00174088.017:2009 «Правила перетинання гірничими виробками зон геологічних порушень на пластах, схильних до раптових викидів вугілля та газу», в який включено «Методику щодо зміцнення порід смолами», що регламентує параметри і технологію закріплення роздроблених порід та дає можливість уникнути обвалень породи і руйнування виробки під час перетинання геологічних порушень.

Реалізація результатів роботи. Спосіб охорони гірничих виробок опорами з газобетону впроваджено: в ДП «Луганськвугілля» на шахтах «Перевальська», «Комісарівська», ім. ХІХ з'їзду КПРС, «Центральна» і «Мащинська» ш/у «Луганське», в ДП «Артемвугілля» на шахтах ім. К.О. Румянцева, «Кочегарка», ім. А.І. Гаєвого, в ДП «Орджонікідзевугілля» на шахтах ім. К. Маркса і «Красний Профінтерн», в ДП «Макіїввугілля» на шахті «Червоногвардійська» (Акт і протокол від 22.11.1994 р.), а також передано для використання до тов «Промислова компанія «Донстройцентр» і ВП «Шахта Південнодонбаська № 3» (Лист директора ВП «Шахта Південнодонбаська № 3» № 1490 від 30.10.2007 р.). Скріплювальну суміш СКАТ і технологію зміцнення порід впроваджено: на шахті «Глибока» ш/у Донбас - для підвищення безпеки робіт в процесі ремонту ходка пласта h₁₀ і на шахті ім. К.О. Румянцева ДП «Артемвугілля» - для запобігання обваленням вугілля і підтримки вентиляційного штреку пласта k₇^1-в (Акт і протокол від 22.12.1998 р.). Суміш СКАТ впроваджено також: на шахті «Алмазна» ДХК «Допропіллявугілля» - для підвищення об'ємів видобутку вугілля в 5-й північній лаві пласта m₅¹ (Лист директора шахти № 62 від 16.01.2002 р.) і для закріплення стеклопластикових анкерів в 5-му північному конвеєрному штреку пласта m₅¹ (Уголь Украины. - 2000. - № 9. - С. 18-19); на шахті їм. К. Маркса ДП «Орджонікідзевугілля» - для закріплення зруйнованої гірської маси в місцях проведення пошуково-рятувальних виробок при ліквідації наслідків аварії в лаві № 122-біс гор. 875 м (Акт спеціального розслідування аварії І категорії з груповим нещасним випадком, що відбувся 26.04.1999 в 9 год. 14 хв. на шахті ім. К. Маркса ПО «Орджонікідзевугілля», від 26.05.1999 р.)

Економічний ефект від упровадження нових способів і засобів охорони виймальних виробок одержується внаслідок зниження їх вартості відносно відомих аналогів, підвищення стійкості виробок, скорочення витрат на ремонтні роботи і ліквідацію наслідків аварій, пов'язаних з обваленнями породи. Заміна скріплювальних сумішей на основі поліуретану сумішшю СКАТ дозволяє отримати економічний ефект у розмірі 1,15 млн. грн. на рік.

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні і формулюванні мети, ідеї, задач досліджень, наукових положень, висновків і рекомендацій щодо практичного застосування одержаних результатів. Як науковий керівник і відповідальний виконавець науково-дослідних робіт автор брав безпосередню участь в обґрунтуванні напряму наукового пошуку і оптимального комплексу методів, організації і проведенні лабораторних і шахтних досліджень, інтерпретації даних, розробці технологічних схем і регламентів випробувань нових засобів охорони виймальних виробок в шахтних умовах.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи на різних етапах її виконання обговорювалися і дістали схвалення: на II Міжнародній конференції «Проблеми і перспективи освоєння підземного простору крупних міст», м. Дніпропетровськ, 19-20 червня 1997 року; на науково-практичній конференції «Донбас 2020: наука і техніка - виробництву», м. Донецьк, 5-6 лютого 2002 року; на XII міжнародному конгресі міжнародного суспільства з маркшейдерської справи, м. Фусінь (Китай), 20-26 вересня 2004 року; на міжнародній науково-технічній конференції «Гірнича геологія, геомеханіка і маркшейдерія», м. Донецьк, УкрНДМІ НАНУ, 11-15 жовтня 2004 року; на науково-практичній конференції «Шляхи підвищення безпеки гірничих робіт в гірничій галузі», м. Макіївка, МакНДІ, 8-9 грудня 2004 року; на другій міжнародній науково-практичній конференції «Шляхи підвищення безпеки гірничих робіт у вугільній галузі», м. Макіївка, МакНДІ, 1-2 листопада 2007 року; на регіональній науково-практичній конференції «Проблеми гірничої технології», м. Красноармійськ, 26 листопада 2010 року; на семінарах УкрНДМІ НАНУ і ІГТМ НАНУ, 2010 р. Скріплювальна суміш СКАТ і фрагменти закріплених в шахтах порід експонувалися на 5-й Міжнародній виставці «Гірнича технологія в СНД» (Донецьк, 30 серпня _ 3 вересня 1998 року) і на Першій міжгалузевій виставці-ярмарку «Наука - виробництву» (Донецьк, 25-27 травня 2004 року).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 41 наукову роботу: з них 1 монографія, 26 статей в наукових виданнях, зокрема 22 - в провідних фахових виданнях, затверджених „Переліком ВАК України” (без співавторів - 11), 4 патенти на винаходи, 4 галузевих нормативних документів і 6 матеріалів і тез доповідей вітчизняних і зарубіжних конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, переліку умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів, шести розділів, висновків, списку використаної літератури з 357 найменувань на 33 сторінках і 14 додатків на 36 сторінці, містить 364 сторінок тексту, 132 рисунок і 58 таблиці.

основний зміст роботи

У першому розділі узагальнені наукові результати і практичний досвід охорони виймальних виробок в умовах нестійких порід. Розглянуті концептуальні погляди на проблему стійкості виробок, що історично змінювалися, а також супутні їм поняття і термінологія, в розвиток яких значний внесок зробили Борисов О.О., Глушко В. Т., Давидович І. Л., Кошелев К. В., Некрасовський Я. Є., Новіков О. О., Петренко Ю. О, Терпігорев О. М., Фісенко Г. Л., Чаплигін С. О., Черняк І. Л. При аналізі результатів досліджень геомеханічних аспектів підтримання одиночних гірничих виробок та виробок в зоні впливу очисних робіт, які подані у відомих роботах Александрова С. М., Алексєєва А. Д., Ардашева К. О., Бажина М.П., Баклашева І. В., Батманова Ю. К., Борисова О.О., Булата А. Ф., Виноградова В. В., Глушка В. Т., Давидовича І. Л., Дружка В. П., Єржанова Ж. С., Заславського Ю. З., Зборщика М. П., Касьяна М.М., Кузнецова Г. Н., Литвинського Г. Г., Морозова О. Ф., Назимка В. В., Новікової Л. В., Орлова О. О., Ревви В. М., Софійського К. К., Усаченка Б. М., Фісенка Г. Л., Фрумкіна Р.А., Халімендика Ю. М., Черняєва В. І., Черняка І. Л., Чиркова С. Є., Шашенка О.М., Шемякіна Є. І. та ін., виділено основні напрями і способи охорони виймальних виробок попереду очисного вибою, на ділянці сполучення з лавою і з боку виробленого простору. Проаналізовані характеристики підтримуючих опор, розроблених для охорони виймальних виробок з боку виробленого простору на шахтах України (Андрієнко В. М., Бахтін О. В., Діманштейн О. С., Заславський І. Ю., Ільяшов М. О., Кардаков В. Є., Колоколов О. В., Кузьменко Н. С., Некрасовський Я. Є., Шаповал М.О. та ін.) і за рубежем (Гетце В., Зіпман Д., Клінггреф Р., Конце В., Куппіг Р., Поссе Р., Тін П., Хове Г., Якобі О. та ін.), а також способи і засоби охорони виймальних виробок в нестійких породах з використанням скріплювальних сумішей (Белоусов Ю. І., Васильєв В. В., Васючков Ю. Ф., Давидов В. В., Єфименко О. О., Кара В. В., Левченко В. І. та ін.).

Узагальнені статистичні матеріали про експлуатаційний стан виймальних виробок, аварійність і травматизм у вугільних шахтах України, з яких випливає, що:

- протяжність ділянок виймальних виробок, які не задовольняють вимогам Правил безпеки за параметрами перерізу, останніми роками безперервно зростає. Якщо у 2005 році цей показник в середньому по галузі становив 12,8 %, то у 2009 році він збільшився до 16,5 %. У окремих геолого-промислових районах Донбасу даний показник (станом на 01.01.2010) змінюється від 5,2 % - в Боково-Хрустальському районі до 28,2 % - в Лисичанському районі;

- незадовільний стан виймальних виробок є наслідком прояву гірського тиску в статичній формі, а динамічною формою його прояву є обвали й обвалення породи, кількість яких за останні десять років перевищує 70-90 випадків на рік;

- за абсолютними значеннями смертельного травматизму «обвали й обвалення породи» є основним травмуючим фактором у вугільній промисловості, і число потерпілих за цим фактором в останні десять років досягає 40-50 чоловік на рік.

При статистичному обробленні даних про кількість травмованих робітників за фактором «обвали й обвалення породи» і розподіл шахтопластів за класами стійкості покрівлі у восьми геолого-промислових районах Донбасу одержано залежність кількості травмованих робітників від процентного вмісту нестійкої покрівлі, яка апроксимується поліномом другого ступеня з достовірністю R² = 0,699 (рис. 1).

За результатами виконаного аналізу обґрунтовано пріоритетні шляхи поліпшення стану виймальних виробок і зниження травматизму від обвалень породи. При цьому висловлено критичні зауваження на адресу концепції безремонтного підтримання виробок, запропонованої в 60-і роки ХХ сторіччя, коли був узятий курс на безціликові способи охорони виробок. У сучасних умовах незадовільного експлуатаційного стану виробок і високого рівня травматизму від обвалень породи запропонована концепція безаварійного підтримання виробок. Оскільки найбільша кількість тяжких аварій від обвалень породи (75 %) відбувається в привибійному просторі виробок під час прибирання породи й оформлення вибою (18 %), в місцях перекріплювання виробок (6 %) і на ділянках їх сполучень з лавами (51 %), то ключовими технологічними вузлами у виробці, що охороняється, є: простір за кріпленням; сполучення з лавою; породна консоль на межі з виробленим простором і ділянки, схильні до здимання ґрунту. Виходячи з аналізу вивченості проблеми охорони виймальних виробок в нестійких породах сформульовані мета роботи, задачі досліджень і методи їх виконання.

У другому розділі зроблено науково-практичне обґрунтування методів виконання досліджень, виходячи з того, що дефіцит засобів охорони виймальних виробок в нестійких породах визначив необхідність пошуку нових кріпильних матеріалів, альтернативних деревині, і скріплювальних сумішей, альтернативних поліуретану. Аналізуючи на завдання Мінвуглепрому України всі відомі матеріали, які можна було б використовувати як кріпильні, ми дійшли висновку про доцільність зведення підтримуючих опор з газобетонних блоків. Даний клас матеріалів широко застосовується в будівельній індустрії, але як кріпильний матеріал в гірничій практиці використовується вперше. А оскільки умови деформування і критерії руйнування будівельних конструкцій і шахтних кріплень мають істотні відмінності, то ця обставина визначила вимоги до додаткових випробувань опор з газобетону. Для цього були проаналізовані властивості газобетону, що впливають на його деформаційно-навантажувальні характеристики, розглянуті критерії руйнування і вимоги до механічних випробувань крихких тіл з випадковим розподілом структурних дефектів і розроблено методику стендових випробувань.

Для обґрунтування основних принципів охорони виймальних виробок в умовах нестійких порід прийняті відомі методи математичного моделювання (скінченних і дискретних елементів), адаптовані до розв'язання задач по встановленню закономірностей прояву гірського тиску навколо виймальної виробки при її охороні підтримуючими опорами і локальному закріпленні масиву.

Розшарування порід над виробленим простором є характерною особливістю спільних деформацій і руйнувань шаруватого гірського масиву і одним з найважливіших чинників, що визначають навантаження на підтримуючі опори. Тому для визначення сумарної потужності породних шарів (h_У), що відшарувалися в покрівлі пласта, вибрано метод геоакустичних спектральних вимірювань, який має надійну апаратурну базу і дозволяє точніше за інші методи визначати просторове положення поверхонь ослаблених механічних контактів шляхом прямих вимірювань.

При розробці скріплювальної суміші для ефективного закріплення нестійких порід з метою одержання достовірних результатів на етапах вивчення хімічних зв'язків, встановлення механізму ствердіння суміші і вибору її оптимальної рецептури використано комплекс апробованих фізико-хімічних (інфрачервона спектроскопія) й аналітичних (гелеутворення, ствердіння, усадка) методів досліджень.

Для одержання об'єктивних даних на стадії промислових випробувань і впровадження розроблених способів і засобів охорони виймальних виробок прийнято перевірені методики шахтних спостережень і вимірювань деформації контуру виймальної виробки, зміни її перерізу і конвергенції вміщувальних порід.

У третьому розділі наведені результати стендових випробувань зразків і опор з газобетону, в ході яких були досліджені їх деформаційно-навантажувальні характеристики в областях пружно-пластичного і позамежного деформування; вивчені зміни несучої здатності в обводнюючих умовах; встановлено характер і параметри руйнування при різних співвідношеннях лінійних розмірів; виявлено особливості деформування збірних конструкцій, в тому числі з поділяючими прокладками з жорсткого матеріалу; одержано діаграми навантаження повнорозмірних опор з газобетону і виконано їх порівняння з опорами із інших матеріалів.

Одна з діаграм навантаження, одержана при випробуванні кубічного зразка газобетону класу за міцністю В3,5 на пресі ГМС-50, наведена на рис. 2. З діаграми видно, що зростання опору зразка від 15 до 22 кН відбувалося без помітних деформацій до початку його руйнування, яке супроводжувалося появою дрібних тріщин, орієнтованих у напрямі прикладення навантаження. При е = 5 % опір зразка становив 0,77Р_max, а його різке падіння до 0,5Р_max було зареєстровано при е = 16 %, коли на бічних гранях з'явилися тріщини відколу, орієнтовані під кутом 70-80є до горизонталі. При подальшому навантаженні спостерігалося обсипання дрібних часток з поверхні зразка, а в центральній його частині відбувалося вторинне пресування матеріалу за рахунок зминання коміркуватої структури. При е > 25 % почалося поступове, а після 40 % - різке підвищення його несучої здатності. Надалі, при е = 45 % вона досягла величини Р_max, а при е = 50 % - збільшилася до 2,1Р_max.

Якісний аналіз діаграм навантаження кубічних зразків газобетону показав (рис. 3), що в процесі їх деформації, незалежно від розмірів, можна виділити області пружно-пластичного деформування (крихкого руйнування) і позамежного деформування (вторинного ущільнення), а в межах кожної області виділяються по три стадії: I - стадія початкового деформування, в якій відбувається ущільнення і закриття початкових дефектів матеріалу; II - стадія пружних деформацій, що характеризується пропорційністю зміни деформацій при зміні навантаження; ІІІ - стадія переходу від пружних деформацій з постійною швидкістю до деформацій із збільшеною швидкістю, що пов'язане із зародженням макротріщин; IV - стадія нестійкого деформування, в якій через розвиток і злиття макротріщин відбувається розділення матеріалу на окремі частини; V - стадія умовно постійного опору, в якій відбуваються незначні коливання несучої здатності матеріалу відносно значення Р^ср_const в результаті ущільнення макродефектів; VI - стадія вторинного пресування матеріалу, що приводить до зростання його несучої здатності. На кривій Р = f (е) є також дві базові точки: P_max - максимальна несуча здатність в області пружно-пластичного деформування і P_min - мінімальна несуча здатність на стадії V.

Наведена на рис. 3 діаграма за всіма параметрами має схожість з характеристиками кріплень постійного опору, і це дозволяє зробити висновок, що опори з газобетону є податливим кріпленням постійного опору. Реальні діаграми навантаження газобетону відрізняються від узагальненої діаграми різноманіттям - вони реагують на зміни його сировинного складу, технології виробництва, об'єму зразків і співвідношення їх розмірів. Тому для кількісної оцінки діаграм навантаження підтримуючих опор прийнято додаткові показники - коефіцієнт розмаху опору деформації (k_c = P_min/P_max) і робота опору деформації (А_с). При цьому показник А_с обчислюється як площа фігури під кривою Р = f (е). Оскільки реальні опори можуть мати різну висоту і різну площу контакту з джерелом навантаження, то при порівняльних аналізах використовується питома робота опору деформації (а_с) - робота, здійснювана одиницею об'єму, що деформується, який дорівнює добутку робочої площі (F) опори на величину повної деформації у напрямі прикладення навантаження (?h)

.

При аналізі результатів випробувань серії кубічних зразків (11 шт) встановлено, що на всіх діаграмах їх навантаження при деформуванні на 10-30 % присутня стадія умовно постійного опору. Несуча здатність зразків на цій стадії залежить від їхніх розмірів та якості газобетону і становить: P ^cp_const = (0,42-0,66)P_max - для Докучаєвського газобетону (ДГ); P^cp_const = (0,44-0,52)P_max - для Луганського газобетону (ЛГ). Стадія вторинного ущільнення зразків починається при деформації понад 30 %. У зразків ДГ несуча здатність на цій стадії досягає рівня P_max при е = 45-56 %, а у ЛГ - при е > 60 %. Коефіцієнт k_c є універсальним показником, оскільки у всіх зразків його значення змінюються у відносно вузькому інтервалі: у ДГ k_c = 0,36-0,52 (в середньому 0,45), а у ЛГ k_c = 0,36-0,47 (в середньому 0,43).

За результатами вивчення діаграм навантаження, одержаних в процесі зволоження газобетону чистою і шахтною водою встановлено таке:

- при контакті газобетону з шахтною водою протягом 45 діб хімічні процеси не встигають викликати його корозію, а зміни показників P_max, k_c та а_с пов'язані з ефектом адсорбційного пониження міцності твердих тіл;

- із збільшенням вологості (w) зразків від 5,0 до 56,7 % значення Р_max і R_с (кубикова міцність повітряно-сухого газобетону) в середньому зменшуються на 31 %, Р^ср_const - на 18 %, а_с - на 20,4 % і, отже, ефект адсорбційного пониження міцності визначає, головним чином, опір зразків стисненню на стадії пружно-пластичного деформування, а несуча здатність зразків за межею міцності визначається умовами вторинного ущільнення газобетону;

- залежність Р_max від w з достовірністю R² = 0,93 має вигляд

Р_max = 0,001w² - 0,153w + 13,021;

- кубикова міцність вологого газобетону (R_w) з R² = 0,96 визначається як

На відміну від кубічних зразків несуча здатність призм істотно залежить від відношення їх мінімальної ширини до висоти (b/h). При одноосному стисненні зразків з крихкого матеріалу їх руйнування відбувається шляхом зрушення по площадках ковзання, орієнтованих до напряму прикладення навантаження під кутом щ, який залежить від кута внутрішнього тертя матеріалу. Виходячи з цього, для умов руйнування призм з газобетону автоклавного ствердіння з с = 50-60є розрахунковим шляхом одержано критичне відношення K_b/h = b/h ? 0.73. Діаграми навантаження газобетонних призм з лінійними розмірами lЧbЧh = 60Ч60Ч80 мм; 60Ч60Ч100 мм та 0,3Ч0,2Ч0,6 м наведені на рис. 4.

Як видно з цього рисунка, діаграма навантаження призми з b/h = 0,75 мало відрізняється від діаграм навантаження кубічних зразків. На ній присутні всі характерні стадії деформування. Різниця полягає в нижчому значені a_c = 1,69 МДж/м³ і в несучій здатності призми за межею міцності. На діаграмі призми з b/h = 0,6 стадії умовно постійного опору і вторинного пресування відсутні, a_c = 1,34 МДж/м³. У призми з b/h = 0,33 показник P_max = 1,8 МПа, а при е = 2,0 % вона була зруйнована. Таким чином, характер деформації призм з b/h < 1 узгоджується з критерієм K_b/h. Округляючи його у велику сторону, приймаємо критичну ширину призми з газобетону рівної b^кр = 0,8h. При b/h = 1,0-1,5 залишкова несуча здатність призм на стадії умовно постійного опору збільшується до (0,7-0,8)P_max, а показник а_с зростає більш ніж в два рази. Збільшення b/h понад 1,5 не має практичного сенсу, оскільки це призводить до витрати матеріалу при незначному збільшенні несучої здатності.

Застосування жорстких міжшарових прокладок вирішує задачу створення штучних меж розділу пружних властивостей і дозволяє покращувати деформаційно-навантажувальні характеристики блокової конструкції. При цьому товщина прокладок істотно не впливає на ці характеристики (рис. 5 і 6). Принципове значення має якість матеріалу прокладки, який повинен володіти високою тріщиностійкістю.

Стендові випробування підтримуючих опор проводилися на пресі ПММ-250. Опори збиралися з блоків ДГ і були представлені двома тумбами і стінкою з прокладками з обрізних дощок. Зіставлення результатів випробувань цих опор з результатами випробувань зразків дозволило встановити закономірності, обумовлені проявом масштабного і блокового ефектів. З них випливає, що деформації блокових опор і окремих блоків відрізняється тільки в початковій стадії навантаження, поки у складових опор не будуть усунені всі контактні зазори. В області позамежного навантаження деформаційно-навантажувальні характеристики таких опор, включаючи показники k_c і a_c, адекватні характеристикам зразків за умови адекватності співвідношень їх лінійних розмірів і конструкційних особливостей в частині наявності міжшарових прокладок.

Результати стендових випробувань на пресі ПММ-250 підтримуючої опори (тумби) із шести блоків газобетону наведені на рис. 7. Після зняття навантаження залишки цієї тумби були зруйнованими по краях і мали ущільнене в центрі тіло. А після прибирання шматків газобетону, що втратили зчеплення, в її центральній частині було видно ядро спресованого матеріалу. Форма ядра мала вид усіченого конуса заввишки 0,4 м з діаметром нижньої опори 0,5 м і верхньої 0,25 м. Кут нахилу бічної поверхні конуса до вертикалі складав 17°, що відповідає розрахунковому значенню кута щ = 15-20є, під яким орієнтуються майданчики ковзання газобетону марки В3,5.

Газобетонна тумба розмірами 1,0Ч1,0Ч1,0 м за максимальною несучою здатністю і питомою роботою опору деформації поступається тільки опорам із БЗБТ з прокладками із ДСП (рис. 8).

У четвертому розділі розглянуті питання щодо визначення параметрів підтримуючих опор з газобетону і розробки технологічних схем охорони виймальних виробок з боку виробленого простору.

Моделювання взаємодії підтримуючих опор з породами покрівлі методом кінцевих елементів дозволило встановити закономірності формування областей позамежного стану масиву навколо виробки при різних поєднаннях міцності опор (у_о) і порід (у_п) . Встановлено, що при у_п ? 60 МПа охорона виробок опорами з у_о = 5 МПа (що відповідає газобетону) не ефективна, оскільки ці опори у вказаних умовах функції обрізного кріплення не виконують. При у_п ? 30-40 МПа опори з у_о = 5 МПа виконують функцію обрізного кріплення, забезпечуючи обвалення покрівлі за простором, що охороняється, і роблять вплив, що щадить підошву (рис. 9).

Підвищення у_о до 12 МПа в умовах нестійких порід не вирішує проблему безаварійної підтримки виробок. Це пов'язано із збільшенням протяжності зон руйнувань по її контуру, що підвищує небезпеку обвалення порід покрівлі і вірогідність витискування порід підошви. В умовах нестійких порід при деформації опор з у_о = 5-12 МПа на 8-12 % уздовж борту виробки, що примикає до незайманого масиву, формується область позамежного стану, в якій можливі руйнування породи, що приводять до порушення стійкості виробки в цілому. Тому підтримка виробок в таких умовах повинна передбачати не тільки зведення підтримуючих опор з боку виробленого простору, але і закріплення порід з боку незайманого масиву.

З метою зниження витрат на закріплення нестійких порід методом дискретних елементів вирішено задачу вибору конфігурації і місця розташування ділянок локального закріплення масиву (рис. 10). Встановлено, що навіть при невеликій площі такої ділянки (0,15S_св) залишкова площа перетину виробки на сполученні з лавою збільшується в 1,7 раз. При цьому механізм стримування зміщень порід в порожнину виробки полягає в тому, що закріплені породні блоки, володіючи більшою (у 1,5 рази) міцністю, ніж навколишній масив, довше зберігають свою цілісність і сприяють самозаклинюванню зруйнованих породних блоків у процесі їх переміщення.

Для розрахунку підтримуючих опор прийнята схема (рис. 11) з консольною балкою завдовжки L_кр, яка прогинається під дією навантаження q. На відстані l від місця закладення балки в масив встановлена опора. Балка взаємодіє з опорою і знаходиться під дією реакції Р, коли її прогин в точці К рівний v, а руйнування порідної консолі в точці К відбудеться за умови

,

де М_К - вигинаючий момент в точці К; W - момент опору балки; у_р - міцність матеріалу балки на розтягування. Звідси, максимальна консоль балки

.

Визначивши L_кр^max, можна розрахувати необхідну несучу здатність підтримуючої опори, а отже, і її ширину. Дана процедура виконується виходячи з того, що критерієм ефективної роботи опори є перенесення лінії обвалення порідної консолі з точки М (по лінії закладення консолі в масив) в точку К (по лінії установки опори), що може бути здійснено при

М_К ? М_М (1)

де М_М - момент в точці М.

Підставивши в (1) відповідні значення вигинаючих моментів

і ,

отримуємо ,

де [у] - гранична міцність на стиснення матеріалу опори, МПа; b_к - ширина опори у вигляді суцільної смуги, м.

Найбільш зручною формою розрахунків для практичного використання є таблиці і номограми. Тому у разі використання газобетону, аналогічного по властивостях газобетону Докучаєвського заводу ЗБВ , і при відомих значеннях h_У і у_р питоме навантаження (Р) на підтримуючу опору визначається як

,

де k_m - коефіцієнт, залежний від потужності вугільного пласта і класу здатності порід крівлі до обвалювання , приймається по таблиці 1; Р¹ - проміжне значення Р, визначається по номограмі рис. 12.

Таблиця 1

Значення коефіцієнта k_m

Після цього по іншим номограмам для конкретних гірничо-геологічних умов визначаються необхідні розміри підтримуючих опор в залежності від їх конструкції (у вигляді тумб чи довгих смуг).

З метою практичної реалізації способу охорони виймальних виробок підтримуючими опорами з газобетону розроблено вісім технологічних схем для умов крутих пластів і п'ять схем для похилих пластів, які увійшли до КД 12.2.001-95 «Тимчасове керівництво по охороні гірничих виробок з використанням спеціального кріплення з газобетону». Декілька з цих схем для різних гірничотехнічних умов розробки крутих і похилих пластів під номерами з якими вони застосовуються у вищеозначеному документі представлені на рис. 13.

Схеми 1б і 2б призначені для круто падаючих пластів потужністю до 1,2-1,8 м при нестійкій безпосередній покрівлі і підошві, схильної до сковзання, відповідно для охорони відкотних і вентиляційних штреків. Схема 3а призначена для охорони гезенків щитових лав на пластах потужністю до 1,2 м при вміщувальних породах ІІ і ІІІ класів. Схема 4а призначена для охорони відкотних штреків, які проводяться з відставанням від лави при суцільній системі розробки, на пологих пластах потужністю до 2,5 м с породами покрівлі легкої и середньої здатності до вивалювання, нестійкими і середньої стійкості. Схеми 5а і 5в призначені для охорони конвеєрних штреків при стовповій системі розробки пологих пластів потужністю відповідно до 1,2 і до 2,0 м з породами покрівлі нестійкими і середньої стійкості і породами підошви відповідно у_п > 50 МПа і у_п < 50 МПа.